Kondensator në vend të baterisë: zgjidhje teknike. Jonstor shtëpiak - ne bëjmë një superkondensator me duart tona Si të bëjmë një superkondensator jonistor në shtëpi

Një lugë gjelle karbon aktiv nga një farmaci, disa pika ujë të kripur, një pjatë kallaji dhe një kavanoz plastik me film fotografik. Është e mjaftueshme për të bërë Jonstor DIY, një kondensator elektrik, kapaciteti i të cilit është afërsisht i barabartë me kapacitetin elektrik ... të globit. Kavanoz Leyden.

Është e mundur që një nga gazetat amerikane të shkruante pikërisht për një pajisje të tillë në vitin 1777: “... Dr. Franklin ka shpikur një makinë në madhësinë e një kutie kruese dhëmbësh, e aftë për ta kthyer Katedralen e Shën Palit të Londrës në një grusht hiri. ” Megjithatë, gjërat e para së pari.

Njerëzimi ka përdorur energjinë elektrike për pak më shumë se dy shekuj, por fenomenet elektrike janë të njohura për njerëzit për mijëra vjet dhe nuk kanë pasur rëndësi praktike për një kohë të gjatë. Vetëm në fillim të shekullit të 18-të, kur shkenca u bë një argëtim në modë, shkencëtari gjerman Otto von Guericke krijoi një makinë "elektroforike" posaçërisht për kryerjen e eksperimenteve publike, me ndihmën e së cilës ai mori energji elektrike në sasi të padëgjuara më parë.

Makina përbëhej nga një top xhami, me të cilin fërkohej një copë lëkure ndërsa rrotullohej. Efekti i punës së saj ishte i madh: kërcitnin shkëndija, forcat e padukshme elektrike ua grisnin shallet e zonjave dhe u ngrinin flokët. Publiku ishte veçanërisht i befasuar nga aftësia e trupave për të grumbulluar ngarkesa elektrike.

Në vitin 1745, fizikani holandez nga Leiden Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) derdhi ujë në një kavanoz qelqi, futi një copë teli brenda, si një lule në një vazo dhe, duke e shtrënguar me kujdes me pëllëmbët e tij, e çoi në makinë elektrofore. Shishja mblodhi aq shumë energji elektrike sa një shkëndijë e ndritshme fluturoi nga copa e telit me një "ulërimë shurdhuese". Herën tjetër që shkencëtari preku telin me gisht, ai mori një goditje nga e cila humbi ndjenjat; Nëse nuk do të ishte për ndihmësin Kuneus, i cili mbërriti në kohë, çështja mund të kishte përfunduar me trishtim.

Kështu, u krijua një pajisje që mund të grumbullonte miliona herë më shumë ngarkesë se çdo trup i njohur në atë kohë. Quhej "kavanozi Leyden". Ishte një lloj kondensatori, një nga pllakat e të cilit ishin pëllëmbët e eksperimentuesit, dielektriku ishte mure qelqi dhe pllaka e dytë ishte uji.

Lajmi i shpikjes u përhap në të gjithë Evropën e ndritur. Kavanozi Leyden u përdor menjëherë për të edukuar mbretin francez Louis XV. Shfaqjet filluan. Në një nga eksperimentet që ranë në histori, një rrymë elektrike kaloi përmes një zinxhiri rojesh të kapur për dore. Kur goditi shkarkimi elektrik, të gjithë u hodhën si një, sikur të ishin gati të marshonin në ajër. Në një eksperiment tjetër, rryma kaloi përmes një zinxhiri prej 700 murgjsh...

Eksperimentet me kavanozin Leyden në Amerikë morën një drejtim më praktik. Në 1747, ato u krijuan nga një nga themeluesit e Shteteve të Bashkuara, Benjamin Franklin i përmendur tashmë. Atij i lindi ideja për ta mbështjellë kavanozin me letër kallaji dhe kapaciteti i tij u rrit shumë herë dhe puna u bë më e sigurt. Në eksperimentet me të, Franklin vërtetoi se një shkarkesë elektrike mund të gjenerojë nxehtësi dhe të ngrejë kolonën e merkurit në një termometër. Dhe duke e zëvendësuar kavanozin me një pjatë qelqi të mbuluar me fletë kallaji, Franklin mori një kondensator të sheshtë, shumë herë më të lehtë se edhe kavanoza Leyden që ai përmirësoi.

Historia hesht për një pajisje të aftë për të ruajtur aq shumë energji, saqë, siç shkruante gazeta, mund të përdoret për ta "shndërruar Katedralen e Shën Palit në një grumbull hiri", por kjo nuk do të thotë se B. Franklin nuk mund ta krijonte atë. .

Dhe këtu është koha për t'u kthyer se si të bëni Jonstor DIY. Nëse keni rezervuar gjithçka që ju nevojitet, uleni pllakën e kallajit në fund të kanaçes së filmit, pasi të keni bashkuar një copë teli të izoluar në të. Vendosni sipër një jastëk letre filtri, hidhni mbi të një shtresë karboni aktiv dhe pasi të keni derdhur ujë të kripur, mbulojeni “sanduiçin” me një elektrodë tjetër.

Diagrami i funksionimit të jonistorit.

Ju keni një kondensator elektrokimik - jonistor. Është interesante sepse në poret e grimcave të karbonit të aktivizuar shfaqet një e ashtuquajtur shtresë elektrike e dyfishtë - dy shtresa ngarkesash elektrike me shenja të ndryshme të vendosura afër njëra-tjetrës, domethënë një lloj kondensatori elektrokimik. Distanca midis shtresave llogaritet në angstrom (1 angstrom - 10-9 m). Dhe kapaciteti i një kondensatori, siç dihet, aq më i madh është distanca midis pllakave.

Për shkak të kësaj, rezerva e energjisë për njësi vëllimi në shtresën e dyfishtë është më e madhe se ajo e eksplozivit më të fuqishëm. Kjo Kavanoz Leyden!

Jonistori funksionon si më poshtë. Në mungesë të tensionit të jashtëm, kapaciteti i tij është i papërfillshëm. Por nën ndikimin e tensionit të aplikuar në polet e kondensatorit, shtresat ngjitur të qymyrit ngarkohen. Jonet e shenjës së kundërt në tretësirë nxitojnë drejt grimcave të qymyrit dhe formojnë një shtresë elektrike të dyfishtë në sipërfaqen e tyre.

Kondensator elektrokimik industrial (jonistor). Shtresa metalike e madhësisë së butonit strehon dy shtresa karboni aktiv, të ndara nga një ndarës poroz.

Skema se si ta bëni atë Jonstor DIY.

Diagrami i një jonistori shtëpiak të bërë nga një kavanoz plastik dhe karboni aktiv:

1 - elektroda e sipërme;

2 - telat lidhës;

3.5 - shtresa të karbonit aktiv të lagësht;

4 - copë litari ndarëse poroze;

6 - elektroda e poshtme;

7 - trupi.

Nëse një ngarkesë është e lidhur me polet e kondensatorit, atëherë ngarkesat e kundërta nga sipërfaqja e brendshme e grimcave të qymyrit do të kalojnë përgjatë telave drejt njëri-tjetrit, dhe jonet e vendosura në poret e tyre do të dalin jashtë.

Kjo eshte e gjitha. tani ju e kuptoni se si ta bëni atë Jonstor DIY.

Jonistorët modernë kanë një kapacitet prej dhjetëra e qindra faradësh. Kur shkarkohen, ato janë të afta të zhvillojnë fuqi të madhe dhe janë shumë të qëndrueshme. Për sa i përket rezervës së energjisë për njësi masë dhe njësi vëllimi, jonistët janë ende inferiorë ndaj baterive. Por nëse zëvendësoni karbonin e aktivizuar me nanotubat më të hollë të karbonit ose substanca të tjera përçuese elektrike, intensiteti i energjisë i jonstorit mund të bëhet jashtëzakonisht i madh.

Benjamin Franklin jetoi në një kohë kur nanoteknologjia as që mendohej, por kjo nuk do të thotë se nuk përdorej. Siç raportoi fituesi i çmimit Nobel në kimi, Robert Curie, kur bënin tehe nga çeliku i Damaskut, mjeshtrit e lashtë, pa e ditur, përdornin metoda të nanoteknologjisë. Çeliku i lashtë i damaskut mbeti gjithmonë i mprehtë dhe i qëndrueshëm falë përbërjes së veçantë të karbonit në strukturën metalike.

Një lloj nanomaterialesh, të tilla si rrjedhjet e bimëve të djegura që përmbajnë nanotuba, mund të përdoren nga Franklin për të krijuar një superkondensator. Sa prej jush e kuptoni se çfarë është? Kavanoz Leyden, dhe kush do të përpiqet ta bëjë atë?

Jonistorët janë pajisje elektrokimike të krijuara për të ruajtur energjinë elektrike. Ato karakterizohen nga një shkallë e madhe ngarkimi-shkarkimi (deri në disa dhjetëra mijëra herë), ata kanë një jetëgjatësi shumë të gjatë shërbimi ndryshe nga bateritë e tjera (bateritë e ringarkueshme dhe qelizat galvanike), rryma e ulët rrjedhjeje dhe më e rëndësishmja, jonistorët mund të kenë një kapacitet të madh dhe përmasa shumë të vogla. Jonistorët përdoren gjerësisht në kompjuterë personalë, radio makinash, pajisje celulare etj. Projektuar për të ruajtur kujtesën kur bateria kryesore hiqet ose pajisja është e fikur. Kohët e fundit, jonistorët janë përdorur shpesh në sistemet autonome të energjisë duke përdorur bateri diellore.

Jonistët gjithashtu ruajnë një ngarkesë për një kohë shumë të gjatë, pavarësisht nga kushtet e motit, ato janë rezistente ndaj ngricave dhe nxehtësisë, dhe kjo nuk do të ndikojë në funksionimin e pajisjes në asnjë mënyrë. Në disa qarqe elektronike, për të ruajtur kujtesën, duhet të keni një tension që është më i lartë se tensioni i jonistorit; për të zgjidhur këtë problem, jonistorët janë të lidhur në seri dhe për të rritur kapacitetin e jonistorit, ata janë të lidhur në paralele. Lloji i fundit i lidhjes përdoret kryesisht për të rritur kohën e funksionimit të jonistorit, si dhe për të rritur rrymën e furnizuar në ngarkesë; për të balancuar rrymën në një lidhje paralele, një rezistencë lidhet me secilin jonistor.

Jonistorët përdoren shpesh me bateri dhe, ndryshe nga ata, nuk kanë frikë nga qarqet e shkurtra dhe ndryshimet e papritura të temperaturave të ambientit. Tashmë sot po zhvillohen jonistorë specialë me kapacitet të madh dhe rrymë deri në 1 amper.Siç dihet rryma e jonistorëve që përdoren sot në teknologji për ruajtjen e memories nuk i kalon 100 miliamp, kjo është një dhe më pengesë e rëndësishme e jonistorëve, por kjo nuk mund të kompensohet nga avantazhet e listuara më sipër të jonistorëve. Në internet mund të gjeni shumë dizajne të bazuara në të ashtuquajturit superkondensatorë - ata janë gjithashtu jonistorë. Jonistorët u shfaqën mjaft kohët e fundit - 20 vjet më parë.

Sipas shkencëtarëve, kapaciteti elektrik i planetit tonë është 700 mikrofarad, krahasuar me një kondensator të thjeshtë... Jonistorët janë bërë kryesisht nga qymyr druri, i cili pas aktivizimit dhe trajtimit të veçantë bëhet poroz; dy pllaka metalike shtypen fort në ndarje me qymyri. Bërja e një jonistori në shtëpi është shumë e thjeshtë, por marrja e karbonit poroz është pothuajse e pamundur; ju duhet të përpunoni qymyr druri në shtëpi, dhe kjo është disi problematike, kështu që është më e lehtë të blini një jonistor dhe të bëni eksperimente interesante mbi të. Për shembull, parametrat (fuqia dhe voltazhi) i një jonistori janë të mjaftueshëm që LED të ndizet me shkëlqim dhe për një kohë të gjatë ose të funksionojë

Një superkondensator ose jonistor është një pajisje për ruajtjen e masave të energjisë; akumulimi i ngarkesës ndodh në kufirin midis elektrodës dhe elektrolitit. Vëllimi i energjisë së dobishme ruhet si një ngarkesë e tipit statik. Procesi i akumulimit zbret në ndërveprim me një tension konstant kur jonistori merr një ndryshim potencial në pllakat e tij. Zbatimi teknologjik, si dhe vetë ideja e krijimit të pajisjeve të tilla, u shfaq relativisht kohët e fundit, por ata arritën të merrnin përdorim eksperimental për të zgjidhur një numër të caktuar problemesh. Pjesa mund të zëvendësojë burimet aktuale me origjinë kimike, duke qenë një rezervë ose mjeti kryesor i furnizimit me energji elektrike në orë, kalkulatorë dhe mikroqarqe të ndryshme.

Dizajni elementar i një kondensatori përbëhet nga një pllakë, materiali për të cilin është petë, i kufizuar nga një substancë ndarëse e thatë. Jonistori përbëhet nga një numër kondensatorësh me një karikues të tipit elektrokimik. Për prodhimin e tij përdoren elektrolite speciale. Mbulesat mund të jenë të disa llojeve. Karboni i aktivizuar përdoret për prodhimin e veshjeve në shkallë të gjerë. Mund të përdoren gjithashtu oksidet e metaleve dhe materialet polimer me përçueshmëri të lartë. Për të arritur densitetin e kërkuar kapacitiv, rekomandohet përdorimi i materialeve të karbonit shumë poroz. Për më tepër, kjo qasje ju lejon të bëni një jonist me një kosto mbresëlënëse të ulët. Pjesë të tilla i përkasin kategorisë së kondensatorëve DLC, të cilët grumbullojnë ngarkesë në një ndarje të dyfishtë të formuar në pllakë.

Zgjidhja e projektimit, kur jonistori kombinohet me një bazë elektrolite uji, karakterizohet nga rezistencë e ulët e elementëve të brendshëm, ndërsa tensioni i ngarkesës është i kufizuar në 1 V. Përdorimi i përçuesve organikë garanton nivele tensioni rreth 2...3 V dhe rritja e rezistencës.

Qarqet elektronike funksionojnë me kërkesa më të larta energjie. Zgjidhja e këtij problemi është rritja e numrit të pikave të energjisë të përdorura. Jonistori është instaluar jo vetëm një, por në një sasi prej 3-4 copë, duke dhënë sasinë e kërkuar të ngarkesës.

Krahasuar me një bateri nikel-metal hidride, jonistori është i aftë të përmbajë një të dhjetën e rezervës së energjisë, ndërsa tensioni i tij bie në mënyrë lineare, duke përjashtuar zonat e shkarkimit planar. Këta faktorë ndikojnë në aftësinë për të mbajtur plotësisht ngarkesën në jonistor. Niveli i ngarkimit varet drejtpërdrejt nga qëllimi teknologjik i elementit.

Shumë shpesh, një jonist përdoret për të fuqizuar çipat e memories dhe përfshihet në qarqet e filtrave dhe filtrat zbutës. Ato gjithashtu mund të kombinohen me bateri të llojeve të ndryshme për të luftuar pasojat e rritjeve të papritura të rrymës: kur furnizohet një rrymë e ulët, jonistori rimbushet, përndryshe ai çliron një pjesë të energjisë, duke zvogëluar kështu ngarkesën e përgjithshme.

Njerëzit fillimisht përdorën kondensatorët për të ruajtur energjinë elektrike. Pastaj, kur inxhinieria elektrike shkoi përtej eksperimenteve laboratorike, u shpikën bateritë, të cilat u bënë mjeti kryesor i ruajtjes së energjisë elektrike. Por në fillim të shekullit të 21-të, përsëri propozohet përdorimi i kondensatorëve për të fuqizuar pajisjet elektrike. Sa e mundur është kjo dhe a do të bëhen më në fund bateritë një gjë e së kaluarës?

Arsyeja pse kondensatorët u zëvendësuan me bateri ishte për shkak të sasive dukshëm më të mëdha të energjisë elektrike që ata mund të ruajnë. Një arsye tjetër është se gjatë shkarkimit voltazhi në daljen e baterisë ndryshon shumë pak, kështu që një stabilizues i tensionit ose nuk kërkohet ose mund të jetë i një dizajni shumë të thjeshtë.

Dallimi kryesor midis kondensatorëve dhe baterive është se kondensatorët ruajnë drejtpërdrejt ngarkesën elektrike, ndërsa bateritë e shndërrojnë energjinë elektrike në energji kimike, e ruajnë atë dhe më pas e kthejnë energjinë kimike përsëri në energji elektrike.

Gjatë transformimeve të energjisë, një pjesë e saj humbet. Prandaj, edhe bateritë më të mira kanë një efikasitet jo më shumë se 90%, ndërsa për kondensatorët mund të arrijë 99%. Intensiteti i reaksioneve kimike varet nga temperatura, kështu që bateritë funksionojnë dukshëm më keq në mot të ftohtë sesa në temperaturën e dhomës. Përveç kësaj, reaksionet kimike në bateri nuk janë plotësisht të kthyeshme. Prandaj numri i vogël i cikleve të ngarkimit-shkarkimit (në rendin e mijërave, më shpesh jetëgjatësia e baterisë është rreth 1000 cikle ngarkimi-shkarkimi), si dhe "efekti i memories". Le të kujtojmë se "efekti i kujtesës" është se bateria duhet të shkarkohet gjithmonë në një sasi të caktuar të energjisë së akumuluar, atëherë kapaciteti i saj do të jetë maksimal. Nëse, pas shkarkimit, mbetet më shumë energji në të, atëherë kapaciteti i baterisë gradualisht do të ulet. "Efekti i kujtesës" është karakteristik për pothuajse të gjitha llojet e baterive të prodhuara në treg, përveç atyre acidike (përfshirë varietetet e tyre - xhel dhe AGM). Megjithëse përgjithësisht pranohet që bateritë litium-jon dhe litium-polimer nuk e kanë atë, në fakt e kanë edhe ato, thjesht manifestohet në një masë më të vogël se në llojet e tjera. Sa i përket baterive acide, ato shfaqin efektin e sulfimit të pllakave, i cili shkakton dëme të pakthyeshme në burimin e energjisë. Një nga arsyet është se bateria qëndron në një gjendje karikimi më pak se 50% për një kohë të gjatë.

Në lidhje me energjinë alternative, "efekti i kujtesës" dhe sulfimi i pllakave janë probleme serioze. Fakti është se furnizimi me energji nga burime të tilla si panelet diellore dhe turbinat me erë është i vështirë të parashikohet. Si rezultat, ngarkimi dhe shkarkimi i baterive ndodh në mënyrë kaotike, në një mënyrë jo optimale.

Për ritmin modern të jetës, rezulton të jetë absolutisht e papranueshme që bateritë të ngarkohen për disa orë. Për shembull, si e imagjinoni të vozitni një distancë të gjatë në një automjet elektrik nëse një bateri e ngordhur ju mban të mbërthyer në pikën e karikimit për disa orë? Shpejtësia e karikimit të një baterie është e kufizuar nga shpejtësia e proceseve kimike që ndodhin në të. Mund ta ulni kohën e karikimit në 1 orë, por jo në disa minuta. Në të njëjtën kohë, shkalla e karikimit të kondensatorit është e kufizuar vetëm nga rryma maksimale e ofruar nga ngarkuesi.

Disavantazhet e listuara të baterive e kanë bërë urgjente përdorimin e kondensatorëve.

Përdorimi i një shtrese elektrike të dyfishtë

Për shumë dekada, kondensatorët elektrolitikë kishin kapacitetin më të lartë. Në to, njëra prej pllakave ishte fletë metalike, tjetra ishte elektrolit dhe izolimi midis pllakave ishte oksid metali, i cili e mbulonte fletën. Për kondensatorët elektrolitikë, kapaciteti mund të arrijë të qindtat e faradit, gjë që nuk mjafton për të zëvendësuar plotësisht baterinë.

Krahasimi i modeleve të llojeve të ndryshme të kondensatorëve (Burimi: Wikipedia)

Kapaciteti i madh, i matur në mijëra faradë, mund të merret nga kondensatorët bazuar në të ashtuquajturën shtresë elektrike të dyfishtë. Parimi i funksionimit të tyre është si më poshtë. Një shtresë elektrike e dyfishtë shfaqet në kushte të caktuara në ndërfaqen e substancave në fazën e ngurtë dhe të lëngshme. Formohen dy shtresa jonesh me ngarkesa me shenja të kundërta, por me të njëjtën madhësi. Nëse e thjeshtojmë shumë situatën, atëherë formohet një kondensator, "pllakat" e të cilit janë shtresat e treguara të joneve, distanca midis të cilave është e barabartë me disa atome.

Superkondensatorë të kapaciteteve të ndryshme të prodhuar nga Maxwell

Kondensatorët e bazuar në këtë efekt nganjëherë quhen jonistorë. Në fakt, ky term nuk i referohet vetëm kondensatorëve në të cilët ruhet ngarkesa elektrike, por edhe pajisje të tjera për ruajtjen e energjisë elektrike - me shndërrimin e pjesshëm të energjisë elektrike në energji kimike së bashku me ruajtjen e ngarkesës elektrike (jonistor hibrid), si dhe për bateritë e bazuara në shtresë elektrike të dyfishtë (të ashtuquajturit pseudokondensatorë). Prandaj, termi "superkondensator" është më i përshtatshëm. Ndonjëherë në vend të kësaj përdoret termi identik "ultrakondensator".

Zbatimi teknik

Superkondensatori përbëhet nga dy pllaka karboni aktiv të mbushura me elektrolit. Midis tyre ekziston një membranë që lejon elektrolitin të kalojë, por parandalon lëvizjen fizike të grimcave të karbonit të aktivizuar midis pllakave.

Duhet të theksohet se vetë superkondensatorët nuk kanë polaritet. Në këtë, ato ndryshojnë rrënjësisht nga kondensatorët elektrolitikë, të cilët, si rregull, karakterizohen nga polariteti, mosrespektimi i të cilit çon në dështimin e kondensatorit. Megjithatë, polariteti zbatohet edhe për superkondensatorët. Kjo për faktin se superkondensatorët largohen nga linja e montimit të fabrikës tashmë të ngarkuar, dhe shënimi tregon polaritetin e kësaj ngarkese.

Parametrat e superkondensatorit

Kapaciteti maksimal i një superkondensatori individual, i arritur në momentin e shkrimit, është 12,000 F. Për superkondensatorët e prodhuar në masë, ai nuk i kalon 3,000 F. Tensioni maksimal i lejuar midis pllakave nuk kalon 10 V. Për superkondensatorët e prodhuar komercialisht, kjo shifër, si rregull, qëndron brenda 2. 3 – 2.7 V. Tensioni i ulët i funksionimit kërkon përdorimin e një konverteri të tensionit me funksion stabilizues. Fakti është se gjatë shkarkimit, voltazhi në pllakat e kondensatorit ndryshon në një gamë të gjerë. Ndërtimi i një konverteri të tensionit për të lidhur ngarkesën dhe ngarkuesin është një detyrë jo e parëndësishme. Le të themi se duhet të fuqizoni një ngarkesë 60 W.

Për të thjeshtuar shqyrtimin e çështjes, ne do të neglizhojmë humbjet në konvertuesin e tensionit dhe stabilizuesin. Nëse jeni duke punuar me një bateri të rregullt 12 V, atëherë elektronika e kontrollit duhet të jetë në gjendje të përballojë një rrymë prej 5 A. Pajisje të tilla elektronike janë të përhapura dhe të lira. Por një situatë krejtësisht e ndryshme lind kur përdoret një superkondensator, voltazhi i të cilit është 2.5 V. Pastaj rryma që rrjedh nëpër komponentët elektronikë të konvertuesit mund të arrijë 24 A, gjë që kërkon qasje të reja në teknologjinë e qarkut dhe një bazë elementare moderne. Është pikërisht kompleksiteti i ndërtimit të një konverteri dhe stabilizuesi që mund të shpjegojë faktin se superkondensatorët, prodhimi serik i të cilëve filloi në vitet 70 të shekullit të 20-të, vetëm tani kanë filluar të përdoren gjerësisht në fusha të ndryshme.

Diagrami skematik i një furnizimi me energji të pandërprerë
tension në superkondensatorë, komponentët kryesorë janë implementuar
në një mikroqark të prodhuar nga LinearTechnology

Superkondensatorët mund të lidhen në bateri duke përdorur lidhje seri ose paralele. Në rastin e parë, tensioni maksimal i lejuar rritet. Në rastin e dytë - kapaciteti. Rritja e tensionit maksimal të lejuar në këtë mënyrë është një mënyrë për të zgjidhur problemin, por do të duhet të paguani për të duke zvogëluar kapacitetin.

Dimensionet e superkondensatorëve varen natyrshëm nga kapaciteti i tyre. Një superkondensator tipik me një kapacitet prej 3000 F është një cilindër me një diametër prej rreth 5 cm dhe një gjatësi prej 14 cm. Me një kapacitet prej 10 F, një superkondensator ka dimensione të krahasueshme me një thonjtë të njeriut.

Superkondensatorët e mirë mund të përballojnë qindra mijëra cikle ngarkimi-shkarkimi, duke tejkaluar bateritë me rreth 100 herë në këtë parametër. Por, si kondensatorët elektrolitikë, superkondensatorët përballen me problemin e plakjes për shkak të rrjedhjes graduale të elektrolitit. Deri më tani, nuk janë grumbulluar statistika të plota për dështimin e superkondensatorëve për këtë arsye, por sipas të dhënave indirekte, jeta e shërbimit të superkondensatorëve mund të vlerësohet afërsisht në 15 vjet.

Energjia e akumuluar

Sasia e energjisë së ruajtur në një kondensator, e shprehur në xhaul:

E = CU 2/2,
ku C është kapaciteti, i shprehur në farad, U është voltazhi në pllaka, i shprehur në volt.

Sasia e energjisë së ruajtur në kondensator, e shprehur në kWh, është:

W = 2 NJM / 7200000

Prandaj, një kondensator me një kapacitet 3000 F me një tension midis pllakave prej 2.5 V është i aftë të ruajë vetëm 0.0026 kWh. Si krahasohet kjo, për shembull, me një bateri litium-jon? Nëse marrim tensionin e daljes të tij të pavarur nga shkalla e shkarkimit dhe të barabartë me 3,6 V, atëherë një sasi energjie prej 0,0026 kWh do të ruhet në një bateri litium-jon me kapacitet 0,72 Ah. Mjerisht, një rezultat shumë modest.

Aplikimi i superkondensatorëve

Sistemet e ndriçimit të urgjencës janë ato ku përdorimi i superkondensatorëve në vend të baterive bën një ndryshim të vërtetë. Në fakt, është pikërisht ky aplikacion që karakterizohet nga shkarkimi i pabarabartë. Përveç kësaj, është e dëshirueshme që llamba e urgjencës të ngarkohet shpejt dhe që burimi i energjisë rezervë i përdorur në të të ketë besueshmëri më të madhe. Një furnizim me energji rezervë i bazuar në superkondensator mund të integrohet drejtpërdrejt në llambën LED T8. Llampa të tilla prodhohen tashmë nga një numër kompanish kineze.

Dritë tokësore LED me fuqi
nga panelet diellore, ruajtja e energjisë
në të cilin kryhet në një superkondensator

Siç u përmend tashmë, zhvillimi i superkondensatorëve është kryesisht për shkak të interesit për burimet alternative të energjisë. Por zbatimi praktik është ende i kufizuar në llambat LED që marrin energji nga dielli.

Përdorimi i superkondensatorëve për të nisur pajisjet elektrike po zhvillohet në mënyrë aktive.

Superkondensatorët janë të aftë të japin sasi të mëdha energjie në një periudhë të shkurtër kohe. Duke fuqizuar pajisjet elektrike në fillim nga një superkondensator, ngarkesat maksimale në rrjetin elektrik mund të reduktohen dhe, në fund të fundit, diferenca e rrymës së hyrjes mund të reduktohet, duke arritur kursime të mëdha në kosto.

Duke kombinuar disa superkondensatorë në një bateri, ne mund të arrijmë një kapacitet të krahasueshëm me bateritë e përdorura në automjetet elektrike. Por kjo bateri do të peshojë disa herë më shumë se bateria, gjë që është e papranueshme për automjetet. Problemi mund të zgjidhet duke përdorur superkondensatorë me bazë grafeni, por ato aktualisht ekzistojnë vetëm si prototipe. Megjithatë, një version premtues i Yo-mobile-it të famshëm, i mundësuar vetëm nga energjia elektrike, do të përdorë si burim energjie superkondensatorë të gjeneratës së re, të cilët po zhvillohen nga shkencëtarët rusë.

Superkondensatorët do të përfitojnë gjithashtu nga zëvendësimi i baterive në automjetet konvencionale me benzinë ose naftë - përdorimi i tyre në automjete të tilla është tashmë një realitet.

Ndërkohë, më të suksesshmit nga projektet e zbatuara për futjen e superkondensatorëve mund të konsiderohen trolejbusët e rinj të prodhimit rus që u shfaqën së fundmi në rrugët e Moskës. Kur furnizimi me tension në rrjetin e kontaktit ndërpritet ose kur kolektorët e rrymës "fluturojnë", trolejbusi mund të udhëtojë me një shpejtësi të ulët (rreth 15 km/h) për disa qindra metra në një vend ku nuk do të ndërhyjë në trafik. ne rruge. Burimi i energjisë për manovra të tilla është një bateri superkondensatorësh.

Në përgjithësi, tani për tani superkondensatorët mund të zhvendosin bateritë vetëm në "kamera" të caktuara. Por teknologjia po zhvillohet me shpejtësi, gjë që na lejon të presim që në të ardhmen e afërt fusha e aplikimit të superkondensatorëve do të zgjerohet ndjeshëm.

Një jonist është një kondensator, pllakat e të cilit janë një shtresë elektrike e dyfishtë midis elektrodës dhe elektrolitit. Një emër tjetër për këtë pajisje është superkondensator, ultrakondensator, kondensator elektrokimik me dy shtresa ose ionix. Ka një kapacitet të madh, i cili e lejon atë të përdoret si burim aktual.

Pajisja me superkondensator

Parimi i funksionimit të një jonistori është i ngjashëm me një kondensator konvencional, por këto pajisje ndryshojnë në materialet e përdorura. Materialet poroze përdoren si veshje në elementë të tillë - karboni i aktivizuar, i cili është një përcjellës i mirë, ose metale të shkumëzuara. Kjo bën të mundur rritjen e zonës së tyre shumë herë dhe, meqenëse kapaciteti i kondensatorit është drejtpërdrejt proporcional me sipërfaqen e elektrodave, rritet në të njëjtën masë. Përveç kësaj, një elektrolit përdoret si dielektrik, si në kondensatorët elektrolitikë, i cili zvogëlon distancën midis pllakave dhe rrit kapacitetin. Parametrat më të zakonshëm janë disa faradë në një tension prej 5-10 V.

Llojet e jonistorëve

Ekzistojnë disa lloje të pajisjeve të tilla:

Me elektroda të karbonit të aktivizuar krejtësisht të polarizueshme. Reaksionet elektrokimike nuk ndodhin në elementë të tillë. Si elektrolit përdoren tretësirat ujore të hidroksidit të natriumit (30% KOH), acidit sulfurik (38% H2SO4) ose elektroliteve organike;
Një elektrodë e karbonit aktivizuar plotësisht e polarizueshme përdoret si një pllakë. Elektroda e dytë është e dobët ose jo e polarizueshme (anodë ose katodë, në varësi të dizajnit);
Pseudokondensatorë. Në këto pajisje, në sipërfaqen e pllakave ndodhin reaksione elektrokimike të kthyeshme. Kanë një kapacitet të madh.

Avantazhet dhe disavantazhet e jonistorëve

Pajisjet e tilla përdoren në vend të baterive ose akumulatorëve. Krahasuar me ta, elementë të tillë kanë avantazhe dhe disavantazhe.

Disavantazhet e superkondensatorëve:

Rryma e ulët e shkarkimit në elementët e zakonshëm dhe dizajnet pa këtë pengesë janë shumë të shtrenjta;
voltazhi në daljen e pajisjes bie gjatë shkarkimit;
në rast të një qarku të shkurtër në elementë me kapacitet të lartë me rezistencë të ulët të brendshme, kontaktet digjen;
ulje e tensionit të lejuar dhe shkallës së shkarkimit në krahasim me kondensatorët konvencionalë;
rrymë më e lartë e vetëshkarkimit sesa në bateri.

Përparësitë e ultrakondensatorëve:

shpejtësi më e lartë, rrymë ngarkimi dhe shkarkimi sesa në bateri;
qëndrueshmëri - kur u testua pas 100,000 cikleve të ngarkimit/shkarkimit, nuk u vu re asnjë përkeqësim në parametra;
rezistencë e lartë e brendshme në shumicën e modeleve, duke parandaluar vetë-shkarkimin dhe dështimin gjatë një qarku të shkurtër;
jetë e gjatë shërbimi;
më pak vëllim dhe peshë;
bipolariteti - prodhuesi shënon "+" dhe "-", por ky është polariteti i tarifës së aplikuar gjatë testeve të prodhimit;
gamë të gjerë të temperaturave të funksionimit dhe rezistencë ndaj mbingarkesave mekanike.

Dendësia e energjisë

Aftësia për të ruajtur energjinë në superkondensatorë është 8 herë më pak se ajo e baterive të plumbit dhe 25 herë më pak se ajo e baterive të litiumit. Dendësia e energjisë varet nga rezistenca e brendshme: sa më e ulët të jetë, aq më i lartë është kapaciteti energjetik specifik i pajisjes. Zhvillimet e fundit nga shkencëtarët bëjnë të mundur krijimin e elementeve, aftësia e të cilëve për të ruajtur energjinë është e krahasueshme me bateritë e plumbit.

Në vitin 2008, në Indi u krijua një jonistor, në të cilin pllakat ishin prej grafeni. Intensiteti i energjisë i këtij elementi është 32 (Wh)/kg. Për krahasim, kapaciteti energjetik i baterive të makinave është 30-40 (Wh)/kg. Karikimi i përshpejtuar i këtyre pajisjeve lejon që ato të përdoren në automjetet elektrike.

Në vitin 2011, dizajnerët koreanë krijuan një pajisje në të cilën, përveç grafenit, përdorej edhe azoti. Ky element siguronte dyfishin e intensitetit specifik të energjisë.

Referenca. Grafeni është një shtresë karboni, me trashësi 1 atom.

Aplikimi i jonistorëve

Vetitë elektrike të superkondensatorëve përdoren në fusha të ndryshme të teknologjisë.

Transporti publik

Autobusët elektrikë, të cilët përdorin jonistorë në vend të baterive, prodhohen nga Hyundai Motor, Trolza, Belkommunmash dhe disa të tjerë.

Këta autobusë janë strukturalisht të ngjashëm me trolejbusët pa hekura dhe nuk kërkojnë një rrjet kontakti. Karikohen në ndalesa gjatë zbarkimit dhe hipjes së pasagjerëve, ose në pikat e fundit të rrugës në 5-10 minuta.

Trolejbusët e pajisur me jonistorë janë në gjendje të anashkalojnë linjat e prishura të kontaktit dhe bllokimet e trafikut dhe nuk kërkojnë tela në depo dhe parkingje në pikat fundore të rrugës.

Makina elektrike

Problemi kryesor me automjetet elektrike është koha e gjatë e karikimit. Një ultrakondensator me një rrymë të lartë karikimi dhe kohë të shkurtër karikimi lejon rikarikimin gjatë ndalesave të shkurtra.

Në Rusi, është zhvilluar një Yo-mobile që përdor një jonist të krijuar posaçërisht si bateri.

Përveç kësaj, instalimi i një superkondensatori paralel me baterinë ju lejon të rritni rrymën e konsumuar nga motori elektrik gjatë fillimit dhe përshpejtimit. Ky sistem përdoret në KERS, në makinat e Formula 1.

Elektronikë konsumatore

Këto pajisje përdoren në ndezje dhe pajisje të tjera në të cilat aftësia për të ngarkuar dhe shkarkuar shpejt është më e rëndësishme se madhësia dhe pesha e pajisjes. Për shembull, detektori i kancerit karikohet në 2.5 minuta dhe funksionon për 1 minutë. Kjo është e mjaftueshme për të kryer hulumtime dhe për të parandaluar situatat në të cilat pajisja nuk funksionon për shkak të baterive të shkarkuara.

Në dyqanet e makinave mund të blini jonistorë me kapacitet 1 farad për t'u përdorur paralelisht me radion e makinës. Ato zbutin luhatjet e tensionit gjatë fillimit të motorit.

Jonstor DIY

Nëse dëshironi, mund të bëni një superkondensator me duart tuaja. Një pajisje e tillë do të ketë parametra më të keq dhe nuk do të zgjasë shumë (derisa elektroliti të thahet), por do të japë një ide për funksionimin e pajisjeve të tilla në përgjithësi.

Për të bërë një jonistor me duart tuaja, ju duhet:

letër bakri ose alumini;
kripë;
karboni i aktivizuar nga një farmaci;
leshi pambuku;
tela fleksibël për plumba;
kuti plastike për kutinë.

Procedura e prodhimit për një ultrakondensator është si më poshtë:

prerë dy copa petë aq të mëdha sa të vendosen në fund të kutisë;
lidhni telat në fletë metalike;
njomet qymyrin me ujë, bluajeni në pluhur dhe thajeni;
përgatitni një zgjidhje kripe 25%;
përzieni pluhurin e qymyrit me tretësirën e kripur në një pastë;
njomet leshi pambuku me zgjidhje kripe;
aplikoni pastën në një shtresë të hollë dhe të barabartë në fletë metalike;
bëni një "sanduiç": fletë metalike me qymyr lart, një shtresë e hollë leshi pambuku, fletë metalike me qymyr poshtë;
vendoseni strukturën në kuti.

Tensioni i lejuar i një pajisjeje të tillë është 0,5 V. Kur tejkalohet, fillon procesi i elektrolizës dhe jonistori kthehet në një bateri gazi.

Interesante. Nëse montoni disa struktura të tilla, voltazhi i funksionimit do të rritet, por kapaciteti do të bjerë.

Jonistorët janë pajisje elektrike premtuese që, falë shkallëve të tyre të larta të ngarkimit dhe shkarkimit, mund të zëvendësojnë bateritë konvencionale.